Optimization Approaches for Planning and Operation of Large-scale Water Distribution Networks

Dai, Pham Duc GND

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, sich zwei Hauptaspekten bei der Planung und Betriebsführung von großen Wasserverteilungssystemen (WVS) zu widmen, die einerseits in der Druckregelung im laufenden Betrieb zur Wasserverlustreduzierung sowie andererseits in der Optimierung der Pumpenergie- und Wartungskosten bestehen. Die optimale Druckregelung wird durch die optimale Platzierung von Druckreduzierungsventilen (DRV) erreicht. Die Optimierung des Betriebs der DRVs wird durch die Minimierung des überschüssigen Drucks im Wasserverteilungssystem erreicht, während die Minimierung der Pumpenergie- und Wartungskosten durch die optimale Berechnung der Ein- und Ausschaltvorgänge der Pumpen erzielt wird.Zur effektiven Wasserverlustreduzierung in einem WVS wird in dieser Arbeit ein neuer Lösungsansatz vorgeschlagen, nämlich ein mathematisches Optimierungsprogramm mit Komplementaritätsbeschränkungen (MOKB), um ein gemischt-ganzzahliges nichtlineares Optimierungsproblem zur optimalen Platzierung von DRVs zu lösen. Zusätzlich wurde ein neues Rundungsschema entwickelt, um sowohl die Lösungsprozedur zu beschleunigen als auch die Qualität der MOKB-Lösung zu verbessern. Der MOKB-Ansatz wurde danach auf die optimale Platzierung von DRVs für so genannte Benchmark-WVSs angewendet und brachte neue optimale Platzierungen von DRVs hervor. Diese Ergebnisse äußern sich in einer erhöhten Reduzierung von Verlustwassermengen und überschüssigen Drücken verglichen mit den Resultaten, die mit bisherigen Lösungsansätzen gefunden wurden.In WVSs , in denen schon DRVs installiert worden sind, kann man die Wasserverlustreduzierung untersuchen, indem man den Betrieb der DRVs optimiert. Ein erweitertes Modell der DRVs wird in dieser Arbeit vorgeschlagen, in dem ein Gesamtmodell mit drei Betriebsmodi aufgestellt wird. Dieses Modell – repräsentiert durch eine nichtlineare nicht-glatte Gleichung – kann bei vielen Szenarios, die in WVSs auftreten, in die Details gehen, die mit existierenden DRV-Modellen nicht behandelbar sind. Numerische Untersuchungen haben gezeigt, dass das erweiterte DRV-Modell die existierenden Modelle in puncto Qualität und Genauigkeit der optimalen Lösung übertrifft.Neben der Druckregelung zur Verlustreduzierung wurde in dieser Arbeit ebenfalls ein allgemeiner gemischt-ganzzahliger nichtlinearer Programmierungsansatz (GGNLP) zur Optimierung der Ein- und Ausschaltvorgänge von Pumpen in Wasserversorgungssystemen mit mehreren Speichern entwickelt. Eine Menge von linearen Gleichungsnebenbedingungen zur Formulierung des GGNLP und für eine effektive Beschränkung der Anzahl von Ein-/Ausschaltungen wird vorgeschlagen. Als ein Ergebnis führt die optimale Berechnung höchstens zu einer spezifizierten maximalen Anzahl von Schaltvorgängen mit reduzierten Pumpenergiekosten.Um darüber hinaus die Betriebsweise von großen WVSs zu optimieren, wurde ein Softwarepaket entwickelt, das automatisch das Optimierungsmodell aus einem Simulationsmodell aus der EPANET-Simulationsumgebung extrahiert und einen zweistufigen Optimierungsansatz ausführt, der den optimalen Pumpenbetrieb für ein real existierendes großes Trinkwasserversorgungssystem bestimmt. Die Software gestattet dem Nutzer die Optimierung der Betriebsführung von WVSs mit minimalem Aufwand.

The aim of this thesis is to address two major issues in planning and operation of large scale water distribution systems (WDSs), which are operational pressure regulations to reduce leakage amount on the one hand and optimization of pumping energy and maintenance costs on the other hand. The optimal pressure regulation is achieved by optimal localization of pressure reducing valves (PRVs) and the operational optimization of PRVs is carried out to minimize the excessive pressure in water distribution systems while the minimization of pumping energy and maintenance costs is gained by optimal scheduling on/off operations of pumps.To effectively reduce the leakage flows in a WDS, this thesis proposes a new solution approach, namely, mathematical programs with complementarity constraints (MPCC), to solve the mixed integer nonlinear programming problem for optimal localization of PRVs. In addition, a new rounding scheme is developed to accelerate the solution procedure as well as improve the quality of the MPCC solution. The MPCC approach is then applied to optimal locations of PRVs for benchmark WDSs and the result reveals new optimal locations of PRVs, which results in higher decreases of leakage amounts and excessive pressures as compared with those found by the existing approaches.With water distribution systems where PRVs have already been installed, leakage reduction can be addressed by optimizing operations of PRVs. An extended model of PRVs is proposed in this thesis to describe a complete model of PRVs with three operation modes. This model, represented by a non-smooth equation, can circumstantiate many scenarios occurring in water distribution systems where the existing PRV model is not capable. Numerical experiments have shown that the extended PRV model outperforms the existing ones in terms of the quality and accuracy of the optimal solution.Beside the pressure regulation to leakage reduction, this thesis also develops a general mixed-integer nonlinear programming (MINLP) approach for optimizing on/off operations of pumps in water supply systems with multiple reservoirs. A set of linear equality constraints is proposed to formulate the MINLP problem to effectively restrict the number of pump switches. As a result, the optimized pump scheduling leads at most to the specified maximum number of pump switches with reduced pumping energy costs. Furthermore, to optimize operations of large-scale WDSs, a software package is developed so as to automatically extract the optimization model from the simulation model in the EPANET environment and carry out the two-stage optimization approach to determine the optimal pump scheduling for a real and large-scale drinking water system. The software enables users to optimize operations of WDSs with a minimum effort.

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Dai, Pham Duc: Optimization Approaches for Planning and Operation of Large-scale Water Distribution Networks. 2015.

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